岩石应力–渗流耦合真三轴试验系统的研制与应用

针对深部岩石所处的高地应力、强渗透水压等复杂的赋存环境特点,研制岩石应力–渗流耦合真三轴试验系统,并详细介绍系统的主要结构、功能和使用方法。该系统可独立伺服控制施加三维应力,利用声测系统对试件在三维应力和渗透水压作用下的裂隙扩展演化过程进行实时跟踪。通过对不同渗透水压条件下大尺寸花岗岩人造节理试件的真三轴加载试验,研究三维应力和渗透水压对渗透特性的影响,试验结果很好地反映出深部岩体的应力–渗流耦合特性。岩石应力–渗流耦合真三轴试验系统的研制和试验,丰富深部高地应力、强渗透水压等环境下岩石力学性质的研究手段,可为采动围岩遇水作用的稳定性及渗流灾害控制技术的研究提供科学的试验基础。     

温度和应力循环作用下花岗岩力学特性变化规律试验研究

采用多功能岩石高温三轴试验机,对花岗岩试件进行温度上限为100℃～600℃、应力上限分别为各温度下70%和85%单轴抗压强度的温度和应力循环试验,揭示温度和应力循环过程中花岗岩力学特性的变化规律,研究表明:(1)随循环次数增加,花岗岩弹性模量逐渐增大,每次循环加载的上限应变总体呈减小趋势,与应力上限为70%单轴抗压强度相比,应力上限为85%单轴抗压强度时上限应变的降低程度更大;(2)除600℃外,试件经温度和应力循环作用后的单轴抗压强度都大于对应实时温度下的强度值,其中循环温度上限为300℃时,其强度值增幅最大,在循环应力上限为70%与85%抗压强度条件下,增幅分别达到57.1%和50.9%;(3)经温度和应力循环后,花岗岩试件的强度产生明显变化,而峰值应变与实时温度下的峰值应变相差不大,说明从变形条件研究岩石的稳定性比强度条件研究岩石的稳定性更符合试验规律。研究结果对受温度和应力循环作用的深部岩石工程的稳定性研究有一定的借鉴价值。     

深部花岗闪长岩破坏过程声发射及特征应力特性试验研究

以深部花岗闪长岩(564~576 m)为研究对象,采用微机伺服岩石三轴试验机和声发射监测系统,对岩样进行压缩试验和声发射监测试验,获得深部花岗岩破坏过程声发射特性。通过探究深部花岗闪长岩在单轴及三轴压缩破坏过程中应力–应变特征和声发射参数曲线,得出岩石的裂隙初始应力、裂隙贯通应力和峰值应力以及与之对应的声发射特征得到声发射参数与岩石破裂之间的关系。分析试验数据,得到声发射参数与岩石破裂之间的关系,为进一步建立工程岩体的强度准则提供依据。     

高温及三轴应力下花岗岩体力学特性的实验研究

高温岩体地热开发及核废料的地下处置等需要对高温高压下花岗岩体的力学行为进行深入细致研究.采用自主研制的"20 MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机",投入大量人力、财力和物力,历时0.5 a,系统深入地研究φ200 mm×400 mm的大尺寸花岗岩试样在高温三轴应力下的热变形和破坏特征及其热学和力学参数随温度的变化特征.研究结果表明:(1)在三维静水应力下,花岗岩的热变形可分为低温缓慢变形段、中高温快速变形段及高温平缓变形段等3个阶段.自由状态测定的热膨胀系数会过分夸大,或失真地估计岩石的热膨胀或热力作用,在应力状态下测定的热膨胀系数更能反映实际岩体状态.(2)在高温三轴应力条件下,花岗岩体受压表现出与常温下不一致的变形特征,即先是体积膨胀,当差应力超过一定值后则体积收缩.(3)花岗岩体在高温下的破坏形式是典型的剪切破坏,与常温下的破坏形式一致,但在高温和高围压条件下出现明显的延性转化.(4)在有围压条件下,花岗岩体的弹性模量随温度升高先是缓慢减小,然后快速减小,超过400℃后基本保持不变,与小试件的情况相似.     

基于新型茂木式试验机的真三轴试验及加载边界效应研究

介绍新研制的茂木式岩石真三轴试验机,并利用互扣式端部垫块对大理岩进行真三轴试验。利用试验和模拟相结合方法对真三轴试验机的加载边界效应进行研究。研究表明:随中间主应力的增大,岩石峰值强度增大,达到一定值后随着中间主应力的增大而减小;同时,岩样脆性随中间主应力的增大而增强,扩容现象延后。传统式垫块加载真三轴试验过程中,由于空白角的存在,产生应力集中,对岩样应力、应变分布造成明显影响,岩样将在空白角处产生不均匀变形。岩样在互扣式垫块加载方式下的强度略大于在传统式垫块加载方式下的强度。     

三维应力下热破裂对花岗岩渗流规律影响的试验研究

 采用“20 MN高温高压岩体三轴试验机”,精心设计4块完整花岗岩岩样。在25和75 MPa静水应力条件下,实时测试花岗岩岩样在热破裂作用下的渗流规律,这是国内目前首次对花岗岩在高温三维应力作用下渗流规律的实时试验研究。试验结果表明：(1) 在三维应力条件下,花岗岩发生热破裂。在热破裂升温过程中,花岗岩岩样的渗透率随温度的升高而表现为正指数增大的规律。(2) 在热破裂作用初期,花岗岩岩样渗透率随温度的增加而缓慢增加。在热破裂作用的后期,花岗岩岩样渗透率随温度的升高而急剧升高直至达到渗透率峰值。(3) 在整个热破裂升温过程中,各花岗岩岩样渗透率随温度升高而不断增加,渗透率变化率随温度的升高而不断加速。(4) 在静水应力和热破裂作用下,花岗岩岩样的渗透率峰值和初始值的比值最高可达93倍,其渗透率的变化率最高达3.5×10－4 mD/℃,热破裂作用极大地增强花岗岩的渗透特性。试验得到的数据和结论对高温岩体地热开发、石油二次开采及煤炭地下气化具有重要的意义。     

多功能真三轴流固耦合试验系统的研制与应用

为了更真实地模拟地下煤岩体所处的三向不等主应力状态,同时揭示真三轴流固耦合条件下煤岩的力学特性与流体在其中的渗流规律,自行研制多功能真三轴流固耦合试验系统,该系统主要由框架式机架、真三轴压力室、加载系统、内密封渗流系统、控制和数据测量、采集系统及声发射监测系统组成。该系统的先进性和创新性如下:(1)可实现多种复杂应力路径下单轴、双轴、真三轴应力状态下煤岩力学特性与流体渗流规律研究;(2)为了实现多轴联动保证试件中心点不变,设计3种新的加卸载控制方式(追踪力Trace-F、追踪位移Trace-D、追踪位移修正Trace-Df);(3)特殊设计的内密封渗流系统配合伺服增压系统,首次实现了真三轴应力条件下气液的自由渗流控制与监测;(4)试验系统采取两向刚性+一向柔性或刚性加载方式,尽量减小了端部摩擦效应的影响,同时整个加载系统动态控制,频率高,输入信号多样,可完成多种特殊试验;(5)特殊设计了一种多功能加卸载压头,可完成真三轴应力条件下的水力压裂试验;(6)试验系统可在2个方向分别提供6 000 k N,1个方向提供4 000k N的载荷,同时通过伺服增压系统,最大可提供60 MPa的流体压力。利用一系列测试方法和试验对该系统的准确性和可靠性进行验证,结果表明试验系统准确可靠。该试验系统的研制为研究真三轴流固耦合条件下煤岩的力学特性与流体渗流规律提供新手段,可推进二氧化碳地质储存、油气高效开采和深部岩土工程等问题的深入研究。     

含孔洞型缺陷砂岩真三轴力学特性研究

为深入认识深部含缺陷型岩石的力学行为与破坏特征,利用砂岩材料加工为不同孔径、不同孔数的立方体试样(50 mm×50 mm×100 mm),并利用GCTS RTX-3000岩石三轴仪对含孔洞型缺陷砂岩试件开展了真三轴试验,侧向应力加载到一定值后保持不变,最大主应力继续加载直至试件破坏,探究Mogi-Coulomb强度准则...     

岩石三轴试验设备的研制改装应用研究

文中重点研究了高温三轴岩盐溶解特性试验机,改装出高性能的岩石三轴试验机,研制三轴应力状态下的岩石流变仪,开发中尺寸岩样真三轴试样系统.     

真三轴压缩下砂岩的能量和损伤分析

为了探究真三轴压缩下砂岩的能量和损伤演化规律，利用自主研发的真三轴扰动卸荷岩石测试系统进行真三轴一次加卸载试验和真三轴压缩试验，对真三轴压缩应力–应变演化规律进行研究，探讨三向主应力加、卸载的对岩体的影响，利用图形面积积分法分别计算了真三轴压缩的弹性能密度、耗散能密度与输入能密度，分析三者随最大主应力卸载水平增加的规律及其相互之间的关系，进一步研究真三轴压缩过程中损伤演化规律，并对冲击地压倾向性判定条件弹性能量指数进行讨论。研究结果表明：真三轴压缩下最大主应力增大，使砂岩内部应力调整，从而引起中、小主应力方向应变变化，从能量角度定义该现象为能量“诱增”；划分了三个方向主应力加、卸载的种类，将加载分为损伤加载(最大主应力加载)与保护加载(中、小主应力加载)；将卸载分为常规卸载(最大主应力卸载)与损伤卸载(中、小主应力卸载)；真三轴压缩下中间主应力方向约束应力较大，使得该方向“诱增”弹性能密度比例高于最小主应力方向“诱增”弹性能比例；真三轴压缩下最大主应力方向应力提升，砂岩的弹性能密度、耗散能密度均与输入能密度之间存在线性函数关系，提出了真三轴压缩的能量分析方法，进一步得到了砂岩的储能极限...     

下期内容预告EI北大核心CSCD

下期《岩石力学与工程学报》主要发表下列内容的文章:(1)全伺服式中等应变率三轴试验系统的研制及应用;(2)干湿循环作用下预制裂隙炭质页岩力学特性及强度准则研究;(3)真三维应力下煤岩水力润湿范围动态监测试验系统研制     

真三轴应力条件下层状复合岩石破坏准则

 为探究层状复合岩石的强度特性,利用均质化理论方法,将层状复合岩石虚拟为一种等效的均质岩石,建立了真三轴应力条件下基于MLC准则的层状复合岩石破坏准则,该准则由层状复合岩石各组分的强度参数以及几何参数来确定;同时,利用自行研制的多功能真三轴流固耦合试验系统,进行细砂岩、粉砂岩、板岩和层状复合岩石在三向不等应力条件(体应力不变,改变应力罗德角、等中主应力系数等?3)下的真三轴试验,研究层状复合岩石的强度特性以及中间主应力和中主应力系数对复合岩石强度的影响。真三轴试验结果表明,所建立的准则能较好的描述层状复合岩石的强度特征,可为解决层状岩石工程结构的强度及稳定性问题提供了理论参考和依据。     

下期内容预告

正下期《岩石力学与工程学报》主要发表下列内容的文章:(1)高位远程滑坡动力侵蚀犁切计算模型研究;(2)真三轴加卸载条件下组合煤岩冲击破坏特征研究;(3)损伤与破裂岩样力学特性试验研究;(4)岩石梯度应力加载试验装置研制及初步试验研究;(5)拉林铁路变坡面倾角崩塌落石对桥梁结构破坏作用的模拟分析与试验研究;(6)基于混合高阶非连续变形分析的刚性伺服数值试验方法;     

高温后花岗岩断裂特性及热裂纹演化规律研究

在深部地热能开发中高温岩体会经历不同速率降温过程,研究高温作用后岩石力学行为对深部地下工程具有重要意义。然而,不同冷却方式下高温花岗岩断裂特性演化规律及作用机制尚不明晰。基于此,进行了不同冷却方式下花岗岩半圆盘试样三点弯曲试验,分析了高温后花岗岩荷载-位移曲线、断裂韧度以及破裂特征,探讨了微裂纹分布及矿物含量演化规律。试验结果表明：(1)随着温度的升高,花岗岩断裂韧度呈减小趋势,遇水冷却方式下断裂韧度低于自然降温条件;(2)三点弯曲作用下花岗岩半圆盘试样裂纹首先萌生于切槽尖端,逐渐向加载点方向扩展并将岩样劈裂。随着温度的升高,花岗岩试样的断裂痕迹曲折程度、与中心线之间的距离有所增大;(3)随着温度的升高,花岗岩矿物成分未明显变化,基于图像处理技术获得的微裂纹密度逐渐上升,遇水冷却方式下微裂纹密度大于自然降温方式,表明高温引起的微观结构劣化降低了花岗岩断裂韧度。     

中尺寸岩样真三轴试验系统研制与应用

 目前国内外岩石真三轴试样尺寸倾向于两极,且尺寸跨度大、应力大小不同,不便于研究岩体三轴强度的尺寸效应和高应力环境复杂应力路径岩石的变形与强度特征,为了解决这个问题,研制LWZ–10000型中尺寸岩石真三轴试验系统,详细介绍该系统的设计思路、结构特点、技术指标及功能,该系统具有以下特点：(1) 自动伺服控制与变形破坏全过程数据采集,且精度高、性能稳定;(2) 试样尺寸介于室内和现场三轴试样尺寸之间,且尺寸可变;(3) 侧向和轴向载荷高,且三向独立控制;(4) 可同步进行超声波和声发射跟踪测试。采用该系统对锦屏大理岩进行大量的不同应力路径真三轴试验,对加载和卸载路径真三轴试验的应力–应变全过程曲线及与波速对应关系进行分析,结合大理岩不同尺寸卸载路径的真三轴试验成果,初步研究大理岩卸载路径下强度参数的尺寸效应。该系统的成功研制为研究多向复杂应力路径下不同尺寸深部岩体的变形及强度参数提供了新手段。     

刚柔混合型大型真三轴仪研制与验证

真三轴仪是研究三维主应力作用下土的变形强度变化规律的关键设备,同时也是岩土力学理论研究的试验仪。在西安理工大学已经开发的竖向刚性、水平面内正交两向柔性真三轴加载机构的基础上,将自主研发的试样尺寸分别为70 mm×70 mm×70 mm和70 mm×70 mm×140 mm小型真三轴仪进一步开发为上、下两端伺服控制同步加载的300mm×300 mm×600 mm大型真三轴仪。该真三轴仪包括压力室主机架,竖向主应力加载伺服控制液压油源,水平面内主应力加载伺服控制液压体变控制器,试样孔隙水压力伺服控制液压控制器,以及伺服控制和信号采集控制系统。压力室加载机构具有沿竖向轴水平面内转动、径向滚动和液压驱动伸缩运动的隔板,有效地隔离了相邻柔性液压囊;具有上下端对称变形的液压缸加载刚性顶板和底座和侧面对称作用分布压力特征。真三轴仪研制中分别采用特殊构造的乳胶膜和装样模以及轴–板滚动结构和PID闭合控制优化算法,解决了试样尺寸增大带来的试样制备和安装、试验操作、边界影响等问题,水平面内正交两向柔性加载腔互相干扰的问题,以及自动控制系统的稳定性问题。最后利用大型真三轴仪对重塑黄土进行了等b试验验证,其应力–应变特性、抗剪强度特性得到了一致的结果。     

大型微摩阻土工真三轴试验系统及其应用

介绍了长江科学院研制的大型土工真三轴试验系统,该试验系统具有如下功能:①能够稳定的开展粗粒土的真三轴试验;②可以提供的小主应力最大值为3.0 MPa,大主应力最大值为15.0 MPa;③试验尺寸为300 mm(长)×300 mm(宽)×600 mm(高);④可按任意设定的加载过程,采用应力或应变控制方式进行三向独立加载,实现复杂应力条件下的模拟试验;⑤能获得粗粒土试样的应力变形全过程线。通过一个典型工程案例,将该试验系统应用于粗粒土复杂应力条件下的力学特性研究,获得了粗粒土在不同应力水平下的应力变形规律;得到了试样在不同加载路径下的强度参数,并对其破坏准则的适用性进行了初步探讨。大型微摩阻土工真三轴试验系统的成功研制,为深入研究粗粒土在高应力和复杂应力路径下的强度与变形特性提供了技术手段。     

岩石单轴和三轴压缩实验和力学特性分析

以二滩水电站现场取得的正长石岩样加工制备标准试件(尺寸为Φ50×100mm),开展岩样的单轴压缩及不同围压下的常规三轴压缩试验,取得岩石试件各项物理力学参数,进行岩石试件在不同应力路径和不同围压下强度及变形分析,自行绘制岩样在不同力学状态下应力-应变曲线,阐述岩样加载到破坏的全过程。     

不同含水状态花岗岩断裂力学行为及声发射特征

利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统及声发射(AE)三维定位实时监测系统,对两种不同含水状态的深部细粒英云闪长岩进行了三点弯曲试验,得到烘干状态及饱水状态下花岗岩的载荷–LPD曲线、声发射振铃计数率、AE撞击数曲线。试验结果表明,在水的影响下花岗岩的断裂力学特性和声发射特征都有较大变化。饱水状态岩样的平均断裂韧度为干燥状态下的87.5%,且在试验过程中整体的变形变大,其刚度变小,脆性减弱,强度变低。在岩样三点弯曲的各个阶段,饱水岩样的声发射振铃计数率远小于干燥状态岩样;在试验过程中出现了明显的Kaiser效应。岩样以V型截面拉断破坏为主;饱和岩样声发射事件数远大于干燥岩样。研究结果对于受含水层影响的深部花岗岩岩土工程设计及施工具有重要的理论及实际指导意义。     

用单轴抗压强度试验分析瑞典Aspo废物罐回取试验中的岩石损伤

废物回取试验是一个在瑞典(A)sp(o) 地下实验室完成的,历时近5 a,为全尺寸处置库模拟加热试验.试验在一个直径Φ1.75 m、深度8.5 m的钻孔中进行.开挖和加热后周边岩石中的温度升高、应力改变,因此,试验中岩石中可能产生的损伤是工程设计中关心的课题之一.为此,试验结束后,在试验孔3个不同深度处沿垂直和平行于最大主应力方向施打6个深度约1.5 m的近水平取样孔,并采集了12组岩样.对这12组岩样用MTS 815 岩石力学试验系统进行了单轴抗压强度试验.从单轴抗压强度、裂隙起始应力、裂隙损伤应力、最大裂隙体积应变和最大总体变进行了对比和分析,试验结果分析表明:从最大裂隙体积应变分析,在垂直于最大主应力方向的处置孔孔壁的岩石上可能存在一些轻微的微破裂为特征的损伤.从宏观力学特性来说,岩石没有任何可测的损伤.